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超弦理论能否解释量子力学的种种奇异现象？有何依据？

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发布时间：2019-02-08加入收藏来源：互联网点击：

超弦理论能否解释量子力学的种种奇异现象？有何依据？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

超弦只有到四维空间中才是一根弦，而在我们的三维空间中它只留下一个点，而这根弦是以波动的方式振动的，因此粒子具有波粒二象性；这根弦极有可能会形成封闭的环，因此一根弦可在我们的三维空间留下2个点，也就是两个能神奇互相纠缠的粒子。需要指出的是，宇宙中，从体上说，超弦是无处不在的，只是只有获得了能量激发的超弦我们才能探测到它的存在，可以说宇宙中所有的物质现象，包括粒子和场，都是超弦的表现形式。

回答于 2019-09-11 08:43:50

从以前的认识来说弦理论只是一种假说模型，一种为了解释现象而发展出来的“猜测”的理论，这种理论以数学和现有的理论作为依据，但并没有大量的实验来直接证实其预测（例如超对称粒子一个都还没有找到）。




弦论可以说是部分建立在量子力学之上的，弦论内部也有许多探讨量子引力产生的机制，其中一些可能很奇怪，例如Coleman-Deluccia气泡产生的口袋宇宙。但不幸的是，到目前为止，在弦论内部涉及的这些过程并不比在半经典的广义相对论中更清晰。

上图：Coleman-Deluccia瞬子，揭示了宇宙的量子起源。




因此，现在还不能断定超弦理论能否解释量子力学的种种奇异现象。不过一些研究进展也值得一提。




弦论简述

长期以来，物理学家一直试图将量子力学和广义相对论结合起来，并虽然到目前为止两者似乎都仅在各自的领域发挥作用。

弦理论最早是在1970年代提出的，它解决了量子引力不一致的问题，并提出物质的基本单位是一种微小的弦，而不是一个点，并且物质唯一可能的相互作用是连接或分裂的弦。

四十年后，物理学家仍在尝试弄清弦论的规则，弦论似乎需要一些有趣的初始条件（例如额外的维度，这可能解释了为什么夸克和轻子具有电荷、颜色和“味道”才能彼此区分）。

目前，还没有一组规则可用于解释可观察宇宙中发生的所有物理相互作用。

在很大程度上，科学家使用经典的牛顿力学来描述重力如何将月球保持在其轨道上，或者喷气发动机的力量为何将喷气机向前推进。牛顿力学很直观，通常可以用肉眼观察。

在极小的尺度上，例如比原子小1亿倍，科学家则必须使用相对论量子场论来描述亚原子粒子的相互作用以及将质子、中子、原子核和原子内的夸克和轻子结合在一起的力。

上图：超弦理论的基本概念




量子力学简述

量子力学常常是违反直觉的，诸如允许粒子同时出现在两个位置，已经从原子到夸克被反复验证。它已成为了解物质与能量小距离相互作用宝贵且准确的框架。

量子力学作为模型在小尺度上非常成功，但它包含一个大谜团：它无法解释可预测宇宙中每个点的位置和动量的不确定性的基础量子交换律。

交换律并没有从更基本的角度得到解释，但是已经通过最强大的加速器所探测到的最小距离在实验上得到了验证。显然，该法则是正确的，但是研究者渴望在某种程度上解释其背后更深的物理现象，可是困难在于，没有关于该主题的实验数据——目前，如此小尺度的测试超出了科学家的技术能力。

上图：量子力学的基本概念，量子的波属性似乎启发了弦理论的发展。

粒子的波函数——符合薛定谔方程（完整方程包含时间依赖性）


波函数是在x处探测到粒子的几率

考虑环上的粒子：波函数是周期性的，包含了正弦和余弦波

叠加：将波函数加在一起，不是简单地把几率直接相加。

这种环上的波的形式已经非常接近超弦的概念。但超弦理论从量子的微观概念开始，后来又发展出了宏观的膜理论，但似乎仍然难以解决微观与宏观的兼容性。




弦理论仍然难以解决量子力学与广义相对论的不兼容


量子力学被定义“在”空间上，并且时间不会因能量而变化。时间被认为是恒定的（或更像是自变量）。而广义相对论则指出能量会弯曲时空，而时间不是恒定的，是会变化的。

其次的问题是，在广义相对论中能量不是全局守恒的。在量子力学中，一切都基于守恒。因此，两者并不完全兼容。

可能存在一些数学上的不兼容性，例如重整化，这对广义相对论不起作用。

重整化是量子力学中的一个数学技巧，允许通过某种方法，诸如场的统计力学以及自相似几何结构等等，通过更改数量来补偿自交互效应来处理推导过程中产生的各种无限项。

上述第一点指的就是理论物理学当中所谓的背景独立性问题。

背景独立性是理论物理学中的一个条件，它要求理论的定义方程与时空的实际形状和时空内各个场的值无关。特别是，这意味着不能引用特定的坐标系——该理论必须是无坐标的。此外，应允许不同的时空配置（或背景）作为基础方程式的不同解决方案。

上图：弦理论、量子力学以及广义相对论以及循环量子理论之间的关系。




理论物理学家对背景独立性有不同的主张态度。一些人认为它非常重要（例如“循环量子引力”的创始者），另一些人则只将其视为低能理论的独特特征（在高能下背景的效应会消失）。

当然，事实是，任何物理理论都必须依据其做出的预测是否得到实证来确认，而不是看哪种理论更更讨人喜欢或貌似更完美。这就是为什么量子引力研究早前误入歧途的原因。




弦理论最初是用固定背景下存在的某种物理实体——弦来表述的。弦的波动行为被推测为类似于弦所处的背景的波动。这要求间接证明：弦谱中的模式之一精确地对应于引力子（背景时空的扰动量子）；结果证明，用于世界面共形不变性的重整化群-流方程暗示了爱因斯坦对于背景时空的方程式。


因此，弦论绝对不是背景独立的，但这并不意味着它与背景无关。


超弦理论家声称，超弦可能是某些独立于背景的理论的第一个量化扰动版本。候选理论可能就是M-理论，或者某种通过AdS/CFT在边界上建立的理论。尽管对M-理论的基本表述的大多数探索都是在与背景相关的环境中进行的。

上图：AdS/CFT对偶的内涵

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